一种高稳定度基准电路的设计实现*

曾启明，李 琰，俞 航

（1. 深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055；2. 深圳大学 电子信息工程学院，广东 深圳 518060）

一种高稳定度基准电路的设计实现*

曾启明1，李 琰2，俞 航2

（1. 深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055；2. 深圳大学 电子信息工程学院，广东 深圳 518060）

文章介绍了一种基于带隙基准电压（Band-gap Voltage）技术的高稳定度基准电路．通过使用温度补偿和负反馈运放网络技术，优化了电路结构，提高了基准电路的综合性能．实际测试结果表明，温度在28～120℃范围变化时，所设计带隙基准电路电压源的温度特性为±20 ppm/℃，电流源输出电流误差小于±1.8%．在0.18μm工艺下电路版图面积为180 μm ×200 μm，1.8V工作电压时功耗仅为140 μW．

基准电路；带隙基准电压；电压源；电流源

基准电路包括基准电压源和基准电流源，是混合信号系统以及射频系统的重要核心模块，其主要功能是为电路工作提供稳定可靠的偏置电压和偏置电流[1]．基准电路的性能直接影响整个系统的性能．随着集成电路规模的不断增大，集成度、可靠性和稳定性等设计因素，使基准电路在被广泛应用的同时，也对其性能提出了更高的要求．因此基准电路的性能和集成度的提高，一直是业界研究的热点．

由于工作性质的特殊性，要求基准电路在工艺、电源电压、温度（Process, Voltage, Temperature,PVT）等外部条件变化的情况下仍然能够稳定工作．在目前国内外的研究和应用中，基准电压源主要有齐纳二极管、埋入型齐纳二极管和带隙基准电压源3种，而基准电流源主要是简单基准电流源、阈值电压相关电流源和带隙基准电流源三种．齐纳二极管的特点是输入范围宽，但输出精度较低，静态电流较大，其内部非零阻抗容易导致稳定性问题．埋入型齐纳二极管通过改进工艺，输出精度有所提高，但部分器件不能吸入电流．带隙（Band-Gap）基准，包括电压源和电流源，在PVT参数变化下仍能够保持高稳定度．带隙基准电路采用非表面的带隙机理，稳定性相对齐纳二极管更高．同时，低输出阻抗和低静态电流，使得带隙基准电路能够获得良好的温度系数和稳定性．图 1给出了一种典型的基准电路结构[2,3]．在标准CMOS工艺中，基准电压可以通过串联分压的方式获得，如图1（a）所示．分压电路的优点是结构简单，在版图布局时能够使用叉指结构实现匹配特性．在实际应用中，为降低功耗，减小工作电流，一般采用MOS对管的形式实现分压电路．对于图1（b）中的电流源，在MOS管参数确定的情况下，电流源的输出IB仅与电阻的大小相关而与电源电压无关，因此可以通过M2和M5镜像，为其他电路提供与电源电压无关的稳定参考电流．

在上述典型的基准电路结构中，电压源依然受到PVT因素影响，电流源虽然与电源电压无关，但依然受到MOS管参数的影响．为了改善基准电路的性能，本文在传统电压源的基础上，利用MOS管基极-发射极的负温度特性与正温度系数电压相互补偿的原理，优化设计了一个参考电压源电路．同时，在基于带隙基准电压产生恒定的参考电压源的基础上，使用运算放大器构成负反馈网络，设计实现了一种高稳定度的参考电流源．

图1 典型基准电路结构[2,3]

图2 电压源核心电路结构

图3 带启动电路的电压源结构

1 电路设计

1.1 电压源核心电路

本文设计的基准电压源的核心电路如图2所示，M1、M2、M3作为电流镜，I1、I2、I3相等．在电路设计的过程中，选用较长沟道的PMOS管以减小沟道调制导致的镜像电流的失配问题，同时较大的沟道长度也有利于降低系统的噪声．运算放大器与M1、M2构成反馈回路，使A、B 2点电压VA和VB相等．根据电路：

而VA=VB，得：

设计中Q2的发射极面积是Q1的N倍，可得：

式（4）表明，M1、M2、Q1、Q2、R1和运算放大器一同产生正温度系数电流 I2．通过镜像 I2到M3支路，可得：

根据I2=I3：

根据式（6），参考电压Vref仅与温度和电阻比值R2/R1有关，通过调节 R2/R1可以得到零温度系数参考电压．综合匹配及版图面积因素，实际电路中，取Q2的发射极面积是Q1的8倍，即N=8．

1.2 电压源启动电路

实际应用中，为了避免当 I1、I2与电路漏电流的大小相当时进入非正常状态，需要设计相应的启动电路[4]，如图3所示．M4～M8构成电压源的启动电路．当电路进入非正常状态时，电路输出电流为零．M5将M6的栅极拉升至高电平，M6导通使得A点电压升高，最后通过运放反馈环路使得电路正常工作．当电路正常工作以后，M4镜像M1电流I1使得M7、M8导通，保证M6的栅极电压被关断．

1.3 基准电流源设计

在使用带隙基准电压实现参考电压源的基础上，本文利用运算放大器构成负反馈网络，设计了一个高稳定度的参考电流源，如图4所示．运放、R3、M9～M11共同构成电流源电路．运放通过负反馈网络，使VC=Vref，可得：

根据式（7），在电源电压VDD确定的情况下，参考电流Iref的稳定性由Vref的稳定性确定，大大提高了电路的稳定性．

图4 电流源电路结构

2 实验结果及分析

2.1 电路仿真结果及分析

为了仿真所设计电路的正确性，本文采用Bsim3v3模型，利用Cadence Spectre仿真工具对整个电路进行仿真，结果如图5和图6所示．

图5是基准电压源启动过程，图中标示了在电源电压（①号曲线）的抬升过程中，电路中各关键参数的变化过程．曲线③是的启动电路中M6的电流变化情况，图中清楚标示，在电源电压抬升至1.0V左右时，M6导通，电流峰值约为300 nA，该电流将灌入图3中所示的A点，使电路摆脱非正常状态．当电源电压继续升高，M6栅极电压拉低，约为0 V（⑥号曲线）．仿真结果显示，所设计电压源能够按照电路条件正常启动．电压源工作后，启动电路关闭．

图6（a）和图6（b）分别是电压源和电流源相对温度变化（-40～120℃）的仿真结果．当电源电压为1.8V，工艺参数为TT corner时，图（a）表示电压源输出参考电压的变化小于389.52μV，参考电压变化小于±20 ppm/℃；图（b）显示，基准电流源所输出的参考电流的变化小于2.9%，均符合要求．

图5 电压源启动过程仿真结果

图6 基准电路输出温度曲线的仿真

2.2 版图实现及测试结果

图7是整个带隙基准电路的集成电路版图，尺寸为180μm×200μm．电路实现后，使用 Spectre工具进行后仿，结果表明，基准电路工作在1.8V电源电压时，电压源输出参考电压为 1.25V，温度特性为±20 ppm/℃（28～120℃）；电流源输出参考电流为10 μA，温度特性为±1.86%（28～120℃）．电路功耗为140 μW．

最后从温度系数及输出电流精度两方面与参考文献中的相关电路进行对比，见表 1．从表 1可以看出，经过优化设计后，本文中的基准电路具有较小的温度漂移，同时输出电流的误差较小．

图7 带隙基准电路版图

3 结 论

本文设计并实现了一种基于带隙基准电压技术的高稳定度基准电路．仿真和测试结果表明，通过温度补偿原理应用和负反馈运放电路的使用，优化后的基准电路在-40～120℃温度范围变化时参考电压和参考电流的温度特性分别为±20 ppm/℃和±1.86%，具有高稳定度．本文电路已实际应用于5.8GHz无线收发机，系统测试结果表明，能够满足系统的实际工作要求．

表1 基准电路性能比较

[1] 孙顺根，吴晓波，王旃，等．一种高精度CMOS能隙基准电压源.微电子学[J]．2003，33（2）：157-159．

[2] ALLEN P E，and HOLBERG D R．CMOS Analog Circuit Design [M]. Oxford University Press, USA，2002．

[3] RAZAVI. Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. McGraw-Hill Education - Europe，2000．

[4] 唐宇，冯全源．一种低温漂低功耗带隙基准的设计[J]．电子元件与材料，2014，33（2）：35-38．

[5] Texas Instrument. REF200 Dual Current Source and Current Sink[EB/OL]．http://www.ti.com.cn/product/cn/ref200.

Abstract: A band-gap voltage reference circuit with high stability is introduced in this paper. By using temperature compensation and network of operational amplifier negative feedback, a new structure with better performance is achieved. Experiment results show that the temperature property of the optimized voltage source is ±20 ppm/℃, and its reference current source with less than ±1.8% change from 28℃ to 120℃. The chip area is 180 μm×200 μm in the 0.18 μm process, and the power consumption is only 140 μW in 1.8V operating voltage.

Key words: reference circuit; band-gap voltage; voltage source; current source

Design of a Reference Circuit with High Stability

ZENG Qiming1, LI Yan2, YU Hang2
（1.School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China;2. College of Computer and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060,China）

TN492

A

1672-0318（2017）05-0017-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.05.003

2017-04-24

*项目来源：国家自然科学基金资助项目(U1201256, 61201042)；广东省高等职业教育品牌专业建设项目（编号：9004-02160101）；深圳职业技术学院精品资源共享课建设项目（编号：9003-04160414）

曾启明（1984-），男，博士，讲师，主要研究方向：大规模集成电路设计、人体生命信号处理．